一种空气桥测试组件的制作方法

1.本技术属于空气桥制作领域，具体涉及一种空气桥测试组件。


背景技术：

2.随着量子比特数目的不断增加，在超导量子计算体系中各种信号传输线及电路元件的布局难度逐渐增大。一些情况下，这些线路和元件不得不彼此相互交叉，从而可能产生信号的彼此干扰如串扰(crosstalk)。而量子系统的脆弱性以及其容易被耦合到体系中的噪声所影响的特点，使得因为线路和元件的交叉产生的影响不能被忽视。
3.基于这样的现状，可以选择采用空气桥作为线路和元件交叉处的过渡连接结构。空气桥能够将平面走线结构，向三位方向过渡和改变，从而使得在平面中会相互交叉的结构通过该空气桥而彼此“绕开”。因此，基于空气桥，一些线路和元件可以被构造为分离的多段结构。这些分离的结构可以通过空气桥进行跨接避免扰信号的影响，进而实现高的信号传输质量。
4.因此，设计超导量子芯片时有必要对空气桥的射频信号连通性进行检测。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术公开了一种空气桥测试组件。该组件被实施用于确定制作的空气桥对于射频信号的传输性能。并且，由此该组件可以被用于确定空气桥的设计方案以及制作方案的有效性，从而有助于改进工艺和设计。
6.本技术示例的方案，通过如下内容实施。
7.一种空气桥测试组件，其包括：
8.第一微波信号线，沿第一方向延伸；
9.多个谐振腔，沿第一方向间隔排列，每个谐振腔由第一端沿与第一方向不同的第二方向延伸至第二端；以及
10.空气桥，与第一微波信号线、多个谐振腔共面；
11.每个谐振腔分别以第一端邻近且耦合第一微波信号线；
12.多个谐振腔中的部分谐振腔分别存在沿第二方向的给定宽度的中断区域，并且在对应的中断区域由空气桥跨接。
13.本技术示例的空气桥测试组件被用于测试空气桥对于射频信号的传输性能。其中，微波信号线和谐振腔耦合，从而可以利用微波信号作为测试的输入信号，谐振腔反馈的信号由微波信号线接收和传递。并且谐振腔中的一个或一些配置有空气桥，而另一个或一些谐振腔则未配置空气桥。因此，从结构上而言，谐振腔会存在有无空气桥的差别，并且据此谐振腔会在谐振频率和品质因子方面产生可以预先性能表现，例如数值差异。因此，通过对谐振频率、品质因子的测量，并且所表现的差异判断空气桥的对射频信号的传输性能。
14.根据本技术的一些示例，空气桥测试组件还包括与第一微波信号线共面的第二微波信号线，第二微波信号线沿第一方向延伸；
15.在第二方向，第二微波信号线与第一微波信号线间隔；
16.每个谐振腔分别以第一端邻近且耦合第一微波信号线，且以第二端邻近且耦合第二微波信号线。
17.根据本技术的一些示例，部分谐振腔中的每个谐振腔具有一个中断区域，且各个谐振腔的中断区域的位置不同。
18.根据本技术的一些示例，部分谐振腔中的一个或多个谐振腔的中断区域位于第一端，部分谐振腔中的其余谐振腔的中断区域位于第二端。
19.根据本技术的一些示例，部分谐振腔中的每个谐振腔具有至少两个中断区域。
20.根据本技术的一些示例，部分谐振腔中的每个谐振腔的中断区域的数量相同；
21.和/或，部分谐振腔中的各个谐振腔的至少部分中断区域的位置相同。
22.根据本技术的一些示例，在多个谐振腔中，部分谐振腔定义有第一目标谐振频率，其余的谐振腔定义有第二目标谐振频率，第一目标谐振频率与第二目标谐振频率不同且差值在预设范围内；
23.和/或，谐振腔为半波长谐振腔或四分之一波长谐振腔。
24.根据本技术的一些示例，空气桥具有结构参数，部分谐振腔包括第一谐振腔子集和第二谐振腔子集，第一谐振腔子集具有至少一个谐振腔，第二谐振腔子集具有至少一个谐振腔；
25.第一谐振腔子集和第二谐振腔子集各自的谐振腔的中断区域的数量相同和位置相同，且各自对应的空气桥的结构参数不同。
26.根据本技术的一些示例，空气桥具有沿第一方向限定的宽度尺寸，以及沿第二方向限定的长度尺寸，长度尺寸大于宽度尺寸。
27.根据本技术的一些示例，空气桥具有依次连接的第一端部、过渡部以及第二端部；在中断区域，第一端部和第二端部分别与谐振腔的两端共面且连接；
28.谐振腔配置于第一平面，过渡部远离第一平面以形成空隙，并且过渡部具有相对于第一平面渐变的坡度。
29.根据本技术的一些示例，空气桥具有依次连接的第一端部、过渡部以及第二端部；在中断区域，第一端部和第二端部分别与谐振腔的两端共面且连接；
30.谐振腔配置于第一平面，过渡部远离第一平面以形成空隙；
31.过渡部包括依次连接的第一段、第二段和第三段，第二段平行于第一平面；
32.由第一端部至第二段，第一段逐渐爬升，
33.由第二端部至第二段，第三段逐渐爬升。
34.有益效果：
35.与现有技术相比，本技术的空气桥测试组件中的配置微波信号线，以及根据是否存在空气桥而区分的多个谐振腔。这些谐振腔分别与微波信号线耦合，从而允许传输微波信号。基于这样的结构设计，通过测量谐振腔对微波信号的响应，从而可以选择性地获得其各自的谐振频率和品质因子，进而能够据此对空气桥的连通性(即是连通或者断开)以及连通质量(连通情况下的关联于射频性能的传输质量)。
附图说明
36.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
37.图1公开了一种纵横交叉的两条共面波导通过空气桥进行跨接的结构示意图；
38.图2为本技术实施例提供的第一种空气桥测试组件的结构示意图；
39.图3公开了图2的空气桥测试组件中的配置有空气桥的第二谐振腔的a部的局部放大的结构示意图；
40.图4为本技术实施例提供的第二种空气桥测试组件的结构示意图；
41.图5为本技术实施例提供的第三种空气桥测试组件的结构示意图；
42.图6为本技术实施例提供的空气桥测试组件中的第一种空气桥的结构示意图；
43.图7为本技术实施例提供的空气桥测试组件中的第二种空气桥的结构示意图；
44.图8为本技术实施例提供的空气桥测试组件中的第三种空气桥的结构示意图。
45.图标：101-第一共面波导；102-第二共面波导；1021-第一子段；1022-第二子段；103-空气桥；20-第一微波信号线；21-第一谐振腔；22-第二谐振腔；23-空气桥；24-中断区域；30-第二微波信号线；231-第一端部；232-第二端部；233-过渡部；233a-过渡部；233b-过渡部；301-衬底；401-第一段；402-第二段；403-第三段。
具体实施方式
46.在复杂的微波电子系统中，各种线路和器件的布局难度越来越大，因此，其交叉成为一个普遍的现状。在低频领域，整个系统以及其中的各种线路和器件的尺寸相对较大，因此，为了避免在交叉位置发生不利影响，可以使用跳线的方式将这个交叉位置“跳过”。然而，当前述系统工作于高频领域时，再使用跳线来跳过交叉位置已经得到希望的效果。并且，就空间尺寸而言，在高频领域由于线路和器件的尺寸很小，因此跳线的连接可能也不会太稳固。在这样的现实背景下，空气桥被提出和使用。空气桥可以实现高速互连；其能够作为接地面、各种有源或者无源器件的内部连接，并且在高频条件下对系统的电感、电容等影响小。
47.一个重要的应用中，空气桥被应用于共面波导(coplanar waveguide，简称cpw)等传输线，以便在其不连续区域进行连接。在超导量子芯片领域中，随着量子比特的数量的不断增加，共面波导传输线的交叉处也需要配置空气桥，以避免共面波导传输线直接交叉接触等。
48.请参阅图1，按照图1所示的方向，连续延伸的第一共面波导101在竖直方向分布；被空气桥103所中断的非连续的第二共面波导102则在水平方向分布，应地，空气桥103也在水平方向分布。由空气桥103中断的第二共面波导102产生的两部分—第一子段1021和第二子段1022—通过该空气桥103进行彼此连接。因此，空气桥103是跨过第一共面波导101而连接到第二共面波导102的被中断区域24的两侧的第一子段1021和第二子段1022的。
49.值得指出的是，虽然在该部分以纵横交叉的共面波导的方式描述了空气桥103的使用。但是，这并非表面空气桥103只能被用于在存在交叉处线路或者器件。
50.在超导量子芯片的应用场景下，需要对的制作质量进行判断，以便排除不合格的空气桥。例如，需要判断是否发生了断线；如果断线则需要考虑调整工艺或者设计方案。一
种容易被选择和实施的测试方式是：表征的直流特性。
51.然而，超导量子芯片的工作模式决定了其需要射频信号的参与。因此有必要对空气桥关于射频信号的性能进行表征。并且由此可知，前述表征直流特性的方法并不能满足射频信号表征的需求。同时，从另一方面而言，通过插损、反射等方式对射频进行表征的方式在超导量子芯片中也难以方便地实施和开展。因为，超导量子芯片需要在极低的温度下工作，而这通常需要使用稀释制冷机来提供，且芯片配置有各种射频器件。进一步地，在超导量子芯片中使用的空气桥通常被选择为超导材料，因此其插损和反射也较小，射频表征难度大。
52.因此，为了实现对超导量子芯片中使用的空气桥的关于射频信号的性能的表征，发明人提出了一种容易实施的方案。考虑到超导量子芯片中，通过读取总线、读取谐振腔以及量子比特的系统实现对量子比特进行操作和控制的方案，发明人选择提出一种可以被实现为读取总线和读取谐振腔的耦合系统，并且将其中的读取谐振腔基于空气桥进行配置。因此，可以理解的是，该耦合系统中的读取谐振腔被配置为分段的多个部分，例如是两部分。因此，这些多个部分中的任意两个之间具有中断区域；那么在这些中断区域，配置的空气桥被设置且空气桥的两端与两侧的读取谐振腔连接。
53.基于此，通过向读取总线和具有空气桥的读取谐振腔输入微波信号，再从反馈获得的信号中解读出读取谐振腔的谐振频率、品质因子(quality factor)，从而可以据此对空气桥的关于射频信号的性能进行表征。为了方便和简化地对上述获得的谐振频率、品质因子进行评价，在本技术的示例中还配置了额外的读取谐振腔，其可以用以作为提供基准参数的“标准件”使用。即将该标准件的谐振频率和品质因子作为参考值，对配置了空气桥的读取谐振腔所测得的谐振频率和品质因子进行对比。
54.基于上述的认识，本技术示例提出了一种空气桥测试组件，其结构请参阅图2和图3。其包括微波信号线，为了作为区别被描述为第一微波信号线20。该组件还包括多个谐振腔(各自可以独立地为半波长谐振腔或四分之一波长谐振腔)，例如是至少两个。并且组件中的谐振腔按照有无配置空气桥23而被定义为两种，其中一种为没有空气桥23的第一类谐振腔(后续以第一谐振腔21的实例被记载)，以及其中的另一种为配置了空气桥23的第二类谐振腔(后续以第二谐振腔22的实例被记载)。该第一类谐振腔可以是按照第一谐振频率进行结构和材料选择设计，而第二类谐振腔则是按照第二谐振频率进行结构和材料选择设计。需要指出的是，上述的第一谐振频率和第二谐振频率是谐振腔的设计参数。其该设计参数通常可以诸如hfss软件进行仿真设计获得；其值与谐振腔被实际制作后经测量获得的测量值之间可能存在一定的差异。
55.在本技术示例中，作为在超导量子芯片中的应用示例，谐振腔可以选择为共面波导结构。因此，在第二类谐振腔中，空气桥23的两端是分别连接在共面波导形式的谐振腔的中心导体带的。
56.为了方便进行描述和本领域技术人员理解，定义了第一方向和第二方向。其中第一方向x例如为水平方向，第二方向y例如为竖直方向，并且基于此，组件中的各部分进行定位。
57.在图2中，第一微波信号线20，在第一方向x上延伸。两个谐振腔，即第一类谐振腔和第二类谐振腔，在第一方向间隔地排列，且彼此之间具有间距。
58.其中的每个谐振腔沿第二方向y由第一端延伸至第二端。且每个谐振腔分别以第一端邻近第一微波信号线20(相应地第二端远离第一微波信号线20)，并且分别以第一端与第一微波信号线20耦合。该两个谐振腔中的其中一个被描述为第一谐振腔21，其中的另一个为第二谐振腔22；因此，空气桥23设置到第二谐振腔22。
59.图3是图2中的a部的局部放大图；如图3所示，第二谐振腔22具有中断区域24，且中断区域24具有在第二方向的预设宽度。空气桥23跨过该中断区域24，并且两端分别与第二谐振腔22在该中断区域24的两个端部连接。可以知晓，一个谐振腔具有多个空气桥23时，相应地该谐振腔会具有多个中断区域24；即一个中断区域24对应一个空气桥23。
60.在具有多个第二谐振腔22的组件情况中，各个第二谐振腔22配置的空气桥23的数量和位置可以选择按照相同的方式进行构造。即各个第二谐振腔22中的空气桥23的位置和数量可以为任意测试的要求进行配置。由于中断区域24和空气桥23是一一对应的，因此，空气桥23的位置则是对应于中断区域24的位置。示例性地，结合图2和图4可知，对于具有至少第二谐振腔22的情况，其中的部分谐振腔的中断区域24可以被配置到第一端，而其余的第二谐振腔22的中断区域24位于第二端。
61.在该组件中，第一微波信号线20、两个谐振腔以及空气桥23是共面的。即三者分别被制作于同一个衬底301或基底的一个表面；例如，形成在衬底的表面。对于微波信号线、谐振腔以及空气桥的获得，本领域技术人员能够采用半导体工艺进行制作，且通常地会结合镀膜、刻蚀、光刻、剥离等手段实施，在此不予赘述。
62.基于上述的组件结构，在其他一些示例中，可以进行部分调整以便获得各种变形形式的组件结构。例如，图4所示的组件与图2所示的组件的主要区别在于，图4中的第二谐振腔22的空气桥23的位置在远离第一微波信号线20的位置处，例如是大致在第二端或其附近。与之所不同的是，在图2所示的第二谐振腔22中，空气桥23的位置在靠近第一微波信号线20的位置处，例如是大致在第一端或其附近。
63.应当理解，空气桥23除了设置在第二谐振腔22的上述位置—第一端和第二端—之外，也可以配置到在第一端和第二端之间的任意选择的位置处。或者，在组件中配置更多的如至少两个第二谐振腔22；这些谐振腔中各自的空气桥23的位置按照任意的方式进行选择。
64.进一步地，除了对第二谐振腔22中的空气桥23的位置进行调整，还可以选择其他的调整方式，例如独立或者结合上述空气桥位置方案选择在组件中配置多条如两条微波信号线。示例性地，如图5所示，组件包括第一微波信号线20和第二微波信号线30，二者分别沿着第一方向x延伸，且彼此具有沿着第二方向的预设的距离。可以理解的是，该距离通常按照第一谐振腔21和第二谐振腔22的长度进行适当的选择。
65.并且，各个谐振腔的两端即第一端和第二端分别与第一微波信号线20和第二微波信号线30进行耦合。在这样的示例中，由于谐振腔分别与两条微波信号线耦合，因此，根据空气桥23的位置的不同，可以分别利用该两条微波信号线对谐振腔的整体或者不同部分进行谐振频率的测量。
66.当存在上述形式分布的两条微波信号线时，将会更有助于对一个具有多个空气桥23的谐振腔情况进行测试，例如图5所示。
67.上述示例中，主要针对测试组件中的第二谐振腔22的数量，以及空气桥23的位置
和数量的调整方案进行描述。以下将就其中的空气桥23的结构进行阐述。通过对空气桥的结构进行改进可以调整其性能表现，从而有助于选择目标性能更优并且配置有空气桥23的谐振腔。例如以空气桥23的数量、位置以及其结构参数作为考察的指标，在部分的具体实例中通过固定其中的两个指标而改变另一个指标，从而进行空气桥23的筛选。示例性地，对于第二谐振腔22而言，其中部分谐振器配置的空气桥23的数量和位置以及结构相同，因此被定义为第一谐振腔子集；剩余谐振器的空气桥的数量、位置和结构相同，且因此被定义为第二谐振腔子集。由此，第一谐振腔21子集中各自的空气桥23的结构不同于第二谐振腔22子集中各自的空气桥23的结构，但是两者的空气桥的数量和位置对应。
68.作为示例，请一并参阅图3和图6，图6公开了具有大致拱形结构的空气桥23的轴侧示意图。空气桥具有沿着第一方向x定义的宽度尺寸d1，以及沿着第二方向y定义的长度尺寸d2；并且其中的长度尺寸d2大于宽度尺寸d1。可以知晓，在其他示例中，可以将其长度和宽度尺寸做出与上述内容相反或不同的其他配置。
69.请再次参阅图6，空气桥23被区分为三部分，并且为依次连接的第一端部231、过渡部233以及第二端部232。其中，在中断区域24附近，空气桥23的第一端部231和第二端部232分别与谐振腔的两端共面(位于衬底301的正面或称第一表面，即同侧)且连接。并且其中的过渡部233远离第一平面，从而形成空隙。在该实例中，空气桥23的过渡部233呈拱桥状地跨过中断区域24，并且因此其具有相对于第一平面渐变的坡度。作为对比，图7的空气桥23可以认为其具有无限大的坡度，而图8的空气桥23则可以认为其具有恒定的坡度。
70.在上述示例中，空气桥23被构造为大致的拱形结构，在另一些示例中其还可以被构造为大致的矩形，如图7。在图7中，空气桥23具有大致的矩形结构。其中的过渡部233a的一个端部垂直地从第一端部231升高而远离第一表面，然后形成水平延伸部分，再垂直地下降而接近第一表面并终止于第二端部232的表面形成过渡部233的另一个端部。
71.在又一些示例中，空气桥23还可以被构造为具有大致的梯形结构，且如图8所示。其中的过渡部233b包括第一段401、第二段402和第三段403，且三者依次连接；其中的第二段402平行于第一平面。并且，其中的第一段401由第一端部231至第二段402呈逐渐爬升状，同时其中的第三段403由第二端部232至第二段402呈逐渐爬升。
72.基于上述的空气桥测试组件的测试方法可以如下方式实施：
73.将空气桥测试组件接入到诸如矢量网络分析仪的设备进行测试。矢量网络分析仪产生作为激励的测试信号，并且输入到被测器件(device under test，dut)—示例中为空气桥测试组件—再通过分析激励信号经过dut所产生的反馈信号变化来表征其网络特性，从而可以对谐振腔的谐振频率、品质因子等进行测量。
74.该示例的方案中，测试可以包括仅实施谐振频率的测量，或者仅进行品质因子的测量，或者一并进行谐振频率和品质因子的测量。当谐振频率和品质因子均被测量时，可以选择先通过谐振频率测量获得空气桥23连通性好的第二谐振腔22，然后再基于第一谐振腔21以及经过谐振频率测量而筛选出来具有连通性好的空气桥23的一个或多个第二谐振腔进行测试。
75.在上述测试中，对于空气桥23的连通性的测试，可以通过对第一谐振腔21和第二谐振腔22进行测试，并将两种谐振腔测得的谐振频率进行比较和判断。
76.当谐振腔的个数和测到的谐振频率的数目不相等，则可以判断存在空气桥23未连
通的情况。
77.当谐振腔的个数和测到的谐振频率的数目相等，则可以判断存在空气桥23是全部连通的情况。值得指出的是，由于谐振腔的谐振频率与其长度是关联的，而长度太小的谐振腔的频率非常高，从而可以被认为是非可测量值，进而认定为测不到谐振频率。换言之，当空气桥23处于非连通状态，而谐振腔与微波信号线耦合的部分长度适当时，也可以测到谐振频率。因此，为了避免这种情况对测试结果的认定，可以控制空气桥23在第二谐振腔22中的位置使得第二微波信号线30与微波信号线耦合的部分长度被适当地选择，以便在空气桥23未连通时，表现为测不到谐振频率。
78.在通过上述方式确定的空气桥23连通的第二谐振腔22之后，再进行品质因子的测量即可获得空气桥23连通且品质因子更高的第二谐振腔22。此时可以对第一谐振腔21以及已经确认空气桥23连通的第二谐振腔22进行一并测量，从其中选择品质因子更高的第二谐振腔22作为确认的空气桥23对射频信号的连通质量高的实例。而第二谐振腔的品质因子可以用以判断连通状态下的空气桥对射频信号的连通质量。
79.前文通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能解释为对本技术的限制。为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，前述内容结合附图对本技术的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本技术各实施例中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。其中的各个实例的划分是为了描述方便，不应对本技术的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
80.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二等”是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
81.此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
82.以上依据图式所示的实施例详细说明了本技术的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本技术的较佳实施例，但本技术不以图面所示限定实施范围，凡是依照本技术的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本技术的保护范围内。